JP5434324B2

JP5434324B2 - 反射型半導体光増幅器

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Publication number: JP5434324B2
Application number: JP2009165751A
Authority: JP
Inventors: 信介田中
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-07-14
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Description

本発明は、反射型半導体光増幅器に関する。

近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、通信事業者の基地局と加入者宅間におけるデータ転送を担うアクセス系ネットワークにおいても、大容量で高速なフォトニックネットワークが広がっている。次世代光アクセス系ネットワークの方式としては、従来からの時分割多重（ＴＤＭ：Time Division Multiplex）方式から、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）方式を用いて各々のユーザに個別の波長を割り振るＷＤＭ-ＰＯＮ（Wavelength Division Multiplex-Passive Optical Networking）方式が検討されている。ＷＤＭ-ＰＯＮ方式では、局側装置にＣＷの広帯域光源、各ユーザ宅の装置に反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ：Reflected Semiconductor Optical Amplifier）を配置し、ユーザ宅では局側から送られてきたＣＷ（continuous wave）信号光を増幅及び変調して送り返すネットワーク構成が提案されている。

一例として、図１にこのような光アクセスシステムを示す。この光アクセスシステムでは、局側装置であるＯＬＴ(optical line terminal)３１０とユーザ宅装置であるＯＮＵ（optical network unit）３２０とはシングルモードの光ファイバ３３０によりＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）３３１を介し接続されている。ＡＷＧ３３１はＯＬＴ３１０から光ファイバ３３０より送られてくる複数の波長（波長１、波長２、波長３、・・・、波長Ｎ）の信号光を各々のユーザ宅のＯＮＵ３２０に波長ごとに分配する機能を有している。ＯＬＴ３１０には、上り信号用ＣＷ光源３１１と上り信号用受信装置３１２とが光サーキュレータ３１３に接続されており、このように接続されたものが各々の波長ごとにＡＷＧ３１４に接続されている。ＯＬＴ３１０における上り信号用ＣＷ光源３１１から発せられた信号光は光サーキュレータ３１３及びＡＷＧ３１４を介し、ＯＬＴ３１０から送信される。この信号光は、光ファイバ３３０を介し、ＡＷＧ３３１に入力し、ＡＷＧ３３１において各々のユーザ宅の波長ごとに振り分けられた後、ＯＮＵ３２０に入力する。

一方、ＯＮＵ３２０には、反射型半導体光増幅器３２１を有しており、入力した信号光を増幅し折り返す。この際、反射型半導体光増幅器３２１における駆動電流もしくは電圧を制御することにより、折り返された信号光はデータ変調された信号光となる。この折り返された信号光は、再び、ＡＷＧ３３１、光ファイバ３３０を介し、ＯＬＴ３１０に伝達される。ＯＬＴ３１０内では、ＡＷＧ３１４、光サーキュレータ３１３を介し、上り信号用受信装置３１２に伝達され、データ変調された折り返し信号光が復調される。

上記の光アクセスシステムでは各々のユーザ宅には各々のＯＮＵ３２０が設置されるが、このＯＮＵ３２０内には、各々に反射型半導体光増幅器３２１が必要とされる。

特開２００５−２３６３００号公報

反射型半導体光増幅器３２１は各々のユーザ宅に設置されるＯＮＵ３２０に搭載されるものであるため、低コストで製造することができ、様々な波長に対しても均一な光強度で同一の動作をするものであることが好ましい。

本実施の形態の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された光導波路となる第１の領域と第２の領域とを有する活性層と、前記第２の領域に沿って形成されており、第１の波長の光を反射する第１の部分と、前記第１の波長の光よりも光利得の低い第２の波長の光を反射する第２の部分とを反射させる反射部と、を有し、前記第１の領域の位置する側の端面より光が入出射する反射型半導体光増幅器において、前記第１の部分は前記第２の部分よりも前記第１の領域側に形成されており、第１の部分まで光が伝播する距離と第１の波長の内部利得係数との積と、第２の部分まで光が伝播する距離と第２の波長の内部利得係数との積とが、均一である。

開示の反射型半導体光増幅装置によれば、低コストで広い波長帯域において同一の動作をさせることができる。

関連技術の半導体光増幅装置の説明図反射型半導体光増幅器の構成図図２に示す反射型半導体光増幅器における光利得スペクトル第１の実施の形態における反射型半導体光増幅器の構造図（１）第１の実施の形態における反射型半導体光増幅器の信号光波長と光利得の相関図第１の実施の形態における反射型半導体光増幅器の構造図（２）第１の実施の形態における反射型半導体光増幅器の上面透過図第１の実施の形態における反射型半導体光増幅器の製造工程図図８（ａ）の９Ａ−９Ｂにおいて切断した断面図反射型半導体光増幅器における光利得スペクトルの説明図第２の実施の形態における反射型半導体光増幅器の構造図第２の実施の形態における反射型半導体光増幅器の上面透過図第３の実施の形態における反射型半導体光増幅器の構造図第３の実施の形態における反射型半導体光増幅器の上面透過図

実施するための形態について、以下に説明する。

〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における反射型半導体光増幅器について説明する。

最初に、図２に基づき反射型半導体光増幅器について説明する。図２に示す反射型半導体光増幅器は、ＩｎＰ等の半導体基板４０１上にＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）活性層４０２、クラッド層４０３、アノード電極４０４を積層形成したものである。また、半導体基板４０１の裏面にはカソード電極４０５が形成されている。このように積層形成されたものの一方の端面には、高反射膜４０６が形成されており、他方の端面には反射防止膜４０７が形成されている。

この反射型半導体光増幅器において、反射防止膜４０７の形成されている端面より、ＣＷ光である入力信号光４１１を入射し、高反射膜４０６により反射され、反射防止膜４０７の形成されている端面より反射信号光４１２として出射される。アノード電極４０４とカソード電極４０５との間は所定の電圧を印加することにより、信号光がＳＯＡ活性層４０２内を伝播する間に増幅及び変調されるため、反射防止膜４０７の形成されている端面からは、変調された出力信号光４１２が出射される。

図３に、図２に示す反射型半導体光増幅器における光利得スペクトルを示す。図に示されるように、図２に示す反射型半導体光増幅器では、波長に依存して光利得の値が異なる。従って、ＷＤＭ−ＰＯＮで使用される波長帯域においては、各々の波長の光により光利得が異なり、出力信号光４１２の強度等が波長により異なってしまう。

（反射型半導体光増幅器）
次に、図４に基づき本実施の形態における反射型半導体光増幅器について説明する。本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、ＩｎＰ等の半導体基板１１上に光導波路となるＳＯＡ活性層１２及びクラッド層１３が形成されており、クラッド層１３上にはアノード電極１４が、半導体基板１１の裏面にはカソード電極１５が形成されている。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、第１の領域Ａ１と、第２の領域Ａ２を有しており、半導体基板１１上の第２の領域Ａ２に、チャープ回折格子１６が形成されており、第１の領域Ａ１の端面より入射した入力信号光２１を反射させる構造となっている。

また、入射側の端面には第１の反射防止膜１７が形成されており、チャープ回折格子１６が形成されている端面には第２の反射防止膜１８が形成されている。尚、第１の反射防止膜１７及び第２の反射防止膜１８は、信号光の波長の光を透過するものであって、屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層形成することにより形成された誘電体多層膜により形成されている。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、第１の反射防止膜１７が形成されている端面より入射した信号光をアノード電極１４とカソード電極１５との間に電圧を印加して変調するものである。

第１の反射防止膜１７が形成されている端面より入射した入力信号光２１は、チャープ回折格子１６において反射され、再び第１の反射防止膜１７の形成されている端面より出力信号光２２として出射される。尚、チャープ回折格子１６において反射されない光、即ち、チャープ回折格子１６において反射される波長以外の光は、反射により出力信号光２２に含まれてしまうとノイズ上昇の原因ともなる。よって、このような波長の光の反射を防ぐため、チャープ回折格子１６の形成されている側の端面には第２の反射防止膜１８が形成されている。尚、ＳＯＡ活性層１２の両側には不図示の光閉じ込め層が形成されている。

ここで、形成されるチャープ回折格子１６とは、回折格子周期や屈折率の空間的な変調により、光の伝播方向に対して回折格子における反射中心波長（ブラッグ波長）が変調されている回折格子である。チャープ回折格子は、ＳＯＡ活性層１２内を伝播する信号光に対し光導波モードのかかる位置であればどのような位置に形成してもよい。具体的には、半導体基板１１とＳＯＡ活性層１２との間、ＳＯＡ活性層１２とアノード電極１４との間、クラッド層１３の表面、ＳＯＡ活性層１２の側面等のいずれの位置に形成してもよい。尚、チャープ回折格子が形成される位置により、信号光がチャープ回折格子による反射回折効果の強さを示す指標である結合係数の値が定まる。このため、所望の反射回折効果を得ることができる位置に設けることが好ましい。

チャープ回折格子１６は、ＳＯＡ活性層１２において反射する位置を波長ごとに変えることができる。これにより、入射する信号光の波長により、ＳＯＡ活性層１２内を伝播する距離を波長ごとに変えることができる。

半導体光増幅器における光利得Ｇは、光導波モードのＳＯＡ活性層１２への光閉じ込め係数をΓ、ＳＯＡ活性層１２における内部利得係数をｇ、ＳＯＡ活性層１２における内部損失係数をα、半導体光増幅器の実効的素子長をＬとした場合、以下の（１）式となる。

Ｇ＝exp｛（Γ×ｇ−α）×L｝・・・・・（１）

（１）式に示されるように、半導体光増幅器の実効的素子長であるＬを大きくすることにより、光利得Ｇは指数関数的に増大する。

ここで、図２に示す反射型半導体光増幅器の場合では、全ての波長の光が高反射膜４０６において反射されるため、波長に依存することなく半導体光増幅器の実効的素子長の値は一定となる。

一方、本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、チャープ回折格子１６を形成することにより、波長ごとに反射させる位置を定めることができる。よって、本実施の形態における反射型半導体光増幅器において、内部利得係数の低い波長の光の実効的素子長を長く形成し、内部利得係数の高い波長の光の実効的素子長を短く形成することができる。これにより波長に依存することのない略均一な光利得が得られる反射型半導体光増幅装置を得ることができる。

具体的には、第２の領域Ａ２に設けられているチャープ回折格子１６において、内部利得係数の高い波長の光を反射するための回折格子を第１の反射防止膜１７の形成されている側の第１の部分Ｂ１に形成する。これにより入射信号光の入射する入射側の端面からこの波長の光が反射される第１の部分Ｂ１までの距離が短くなり、実効素子長を短くすることができる。一方、チャープ回折格子１６において、内部利得係数の低い波長の光を反射するための回折格子を第２の反射防止膜１８の形成されている側の近傍の第２の部分Ｂ２に形成する。これにより入射側の端面からこの波長の光が反射される第２の部分Ｂ２までの距離が長くなり、実効素子長を長くすることができる。このようにして、波長に依存することのない均一な光利得を得ることができる。

上述の説明では、例として内部利得係数の高い波長の光と内部利得係数の低い波長の光の２種類の波長の光に基づき説明したものである。しかしながら、本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、チャープ回折格子１６は、内部利得係数の高い光から内部利得係数の低い光まで連続的に位置を変えて反射させることができる。言い換えれば、信号光の連続した波長の変化に対応して、チャープ回折格子１６における各々の波長の光が反射される部分が連続的に形成されているのである。これにより、相対的に内部利得係数の高い波長の光を反射する部分がより信号光の入射側に近くなるように連続的に形成することができる。

図５に示すように、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用される波長帯域に対し、チャープ回折格子が設けられていない場合のＳＯＡ活性層１２における利得スペクトルＳ１は、波長依存性を有している。従って、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用される波長帯域において、光利得は各々の波長ごとに大きく異なる。しかしながら、本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、チャープ回折格子１６を設けることにより、利得スペクトルＳ２は、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用される波長帯域において、略一定の光利得とすることができる。

次に、図６及び図７に基づき本実施の形態における反射型半導体光増幅器について、より詳しく説明する。図６は、本実施の形態における反射型半導体光増幅器の積層方向における断面の構造図であり、図７は、本実施の形態における反射型半導体光増幅器の上面透過図である。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、ｎ-ＩｎＰの半導体基板１１上に第１の光閉込層３１、ＳＯＡ活性層１２、第２の光閉込層３２、ｐ-ＩｎＰのクラッド層１３が積層形成され、ｐ-ＩｎＰのクラッド層１３上には、アノード電極１４が形成されている。また、半導体基板１１の裏面には、カソード電極１５が形成されている。本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、信号光の入出力側の第１の領域Ａ１と、信号光の入出力側とは反対側の第２の領域Ａ２を有しており、第２の領域Ａ２にチャープ回折格子１６が形成されている。更に、信号光の入出力面となる端面には第１の反射防止膜１７が形成されており、チャープ回折格子１６が形成されている側の端面には、第２の反射防止膜１８が形成されている。

ＳＯＡ導波路となるＳＯＡ活性層１２は、光信号の入出力面となる第１の反射防止膜１７の形成されている端面近傍において、端面に垂直方向な方向に対し、５°〜１０°傾いた角度で形成されている。これは、端面においてわずかでも光が反射した場合、レーザ発振してしまう可能性があることなら、これを防ぐためのものである。入力信号光２１は、第１の反射防止膜１７を介し、導波路であるＳＯＡ活性層１２に入射し、出力信号光２２は、第１の反射防止膜１７を介し、導波路であるＳＯＡ活性層１２より出射する。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、第１の反射防止膜１７から第２の反射防止膜１８までの長さが、約１１００μｍの長さで形成されており、第１の領域Ａ１は、約７００μｍ、第２の領域Ａ２は約４００μｍの長さで形成されている。

第２の領域Ａ２に形成されるチャープ回折格子１６における結合定数κの設計値は、約１００ｃｍ^−１である。その周期Λは、入出力端面側である第１の反射防止膜１７の形成されている側から、反射端面側である第２の反射防止膜１８が形成されている側に向かって、周期Λが約２４０ｎｍから約２４５ｎｍへと連続的に変化するように形成されている。ここで、チャープ回折格子１６における反射中心波長（ブラッグ波長）λ_Ｂは、ＳＯＡ活性層１２における等価屈折率ｎを用いて、（２）式により表される。

λ_Ｂ＝２×ｎ×Λ・・・・・（２）

本実施の形態における反射型半導体光増幅器のＳＯＡ活性層１２における等価屈折率ｎは、約３．２である。このため、チャープ回折格子１６は、ブラッグ波長λ_Ｂが、入出力端面側から反射端面側に向かって、約１５３６ｎｍから約１５６８ｎｍへと連続的に変化するように形成されている。これは、図５における利得スペクトルＳ１に示すように、チャープ回折格子が設けられていない場合のＳＯＡ活性層１２における利得スペクトルは、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用する波長帯域において、短波長領域で高く、長波長領域で低くなる傾向にある。しかしながら、本実施の形態における反射型半導体光増幅器においては、内部利得係数が高くなる短波長の光は、チャープ回折格子１６における入出力端面近傍で反射させ、内部利得係数が低くなる長波長の光は、チャープ回折格子１６における反射端面近傍で反射させる。これにより内部利得係数が高くなる短波長の光は、ＳＯＡ活性層１２内を伝播する距離が短くなり光利得を下げることができ、内部利得係数が低くなる長波長の光は、ＳＯＡ活性層１２内を伝播する距離が長くなり光利得を上げることができる。よって、利得スペクトルＳ２に示すように、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用される波長帯域において、略均一となるような利得スペクトルを得ることができる。

尚、本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、入出力端面に第１の反射防止膜１７を形成し、ＳＯＡ導波路となるＳＯＡ活性層１２を端面に垂直方向な方向に対し、５°〜１０°傾いた角度で形成しているため、入出力端面における信号光の反射は極めて低い。よって、共振によりレーザ発振することはない。また、チャープ回折格子１６の結合定数及び長さは、ＳＯＡ活性層１２において生じる利得によりＤＦＢ（Distributed feedback）レーザモードによるレーザ発振が発生しないよう調整されている。

（反射型半導体光増幅器の製造方法）
次に、図８及び図９に基づき本実施の形態における反射型半導体光増幅器の製造方法について説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、図６における一点鎖線８Ａ−８Ｂにおいて切断した断面における製造工程図である。尚、図９は、図８（ａ）における一点鎖線９Ａ−９Ｂにおいて切断した断面であり、図６に示す面とほぼ同じ面の断面図である。

最初に、図８（ａ）に示すように、ｎ-ＩｎＰ基板５１上に、膜厚が約５００ｎｍのｎ-ＩｎＰクラッド層５２、膜厚が約６０ｎｍのｉ-ＩｎＧａＡｓＰ膜５３を例えば、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法により積層成膜する。この際形成されるｉ-ＩｎＧａＡｓＰ膜５３の組成波長は、約１．１μｍである。尚、ｎ-ＩｎＰ基板５１は、図４に示す半導体基板１１に相当する。

この後、ｉ-ＩｎＧａＡｓＰ膜５３上にフォトレジストを塗布し、プリベーク、電子線（ＥＢ：描画装置による露光、現像を行うことにより、チャープ回折格子の形成される領域に回折格子のパターンとなるレジストパターン５４を形成する。図９に、このようにして形成されるレジストパターン５４の様子を示す。この際形成されるレジストパターン５４は前述したように、周期Λが約２４０ｎｍから約２４５ｎｍへと連続的に変化するように形成されている。

次に、図８（ｂ）に示すように、形成されたレジストパターン５４をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等により、レジストパターン５４の形成されていない領域のｉ-ＩｎＧａＡｓＰ膜５３を除去する。この後、さらにレジストパターン５４も除去し、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５６を形成する。このＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５６はチャープ回折格子を形成するものである。この後、再び、ＭＯＶＰＥ法等により、ｎ-ＩｎＰスペーサ層５７、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層５８、伸張歪ＩｎＧａＡｓ活性層５９、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層６０、ｐ-ＩｎＰクラッド層６１及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６２を積層形成する。形成されるｎ-ＩｎＰスペーサ層５７の膜厚は約１００ｎｍであり、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層５８及び６０の組成波長は約１．３μｍ、膜厚は約１００ｎｍであり、伸張歪ＩｎＧａＡｓ活性層５９の膜厚は約７０ｎｍである。また、ｐ-ＩｎＰクラッド層６１の膜厚は約２μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６２の組成波長は約１．３μｍ、膜厚は約５００ｎｍである。尚、伸張歪ＩｎＧａＡｓ活性層５９、は図４に示すＳＯＡ活性層１２に相当し、ｐ-ＩｎＰクラッド層６１は図４に示すクラッド層１３に相当する。

次に、図８（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６２上にＳｉＯ_２マスク６３を形成し、ＳｉＯ_２マスク６３をマスクとしてＲＩＥ等によるエッチングを行う。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６２上にＳｉＯ_２膜を形成した後、ＳｉＯ_２膜上にフォトレジストを塗布し、プリベーク、露光装置による露光、現像を行うことにより、ＳｉＯ_２マスク６３を形成する。この後、このＳｉＯ_２マスク６３をマスクとして、ＩＣＰ（Inductively coupled plasma）-ＲＩＥ等によるエッチングを行い、高さが約３μｍとなるメサ構造を形成する。

次に、図８（ｄ）に示すように、形成されたメサ構造の側面にＳＩ（Semi-Insulating）-ＩｎＰブロック層６４、６５をＭＯＶＰＥ法により形成する。これにより、メサ構造の領域に効率的に電流を供給する電流狭窄構造が形成される。同時に、伸張歪ＩｎＧａＡｓ活性層５９からなる導波路が形成される。この後、ＳｉＯ_２マスク６３を除去する。

次に、図８（ｅ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６２の形成されている側にアノード電極６６を形成し、半導体基板５１の裏面にはカソード電極６７を形成する。尚、アノード電極６６は図４に示すアノード電極１４に相当し、カソード電極６７は図４に示すカソード電極１５に相当する。この後、劈開により端面を形成した後、入出力端面及び反射端面に図６に示される第１の反射防止膜１７及び第２の反射防止膜１８を形成することにより本実施の形態における反射型半導体光増幅器が作製される。

（反射型半導体光増幅器の特性）
次に、このように形成された反射型半導体光増幅器の特性について説明する。図１０（ａ）は図２に示す構造の反射型光増幅器における利得スペクトルである。図２に示す構造の反射型光増幅器では、光利得が波長に依存しており、波長が長くなるに従い低下する傾向にある。具体的には、波長が約１５４０ｎｍでは光利得は約３４ｄＢであるのに対し、波長が約１５６５ｎｍでは光利得は約２５ｄＢとなり、光利得は約９ｄＢ低下している。一方、図１０（ｂ）は本実施の形態における反射型半導体光増幅器における利得スペクトルである。本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、約１５４０ｎｍから約１５６５ｎｍの範囲内における光利得は約２４ｄＢ以上であり、光利得の変動幅は最大で約３ｄＢである。このように、本実施の形態における反射型半導体光増幅器においては、広い波長帯域において光利得を略均一にすることが可能である。

尚、本実施の形態では、チャープ回折格子１６において、周期Λを変化させる場合について説明したが、屈折率を変化させることにより、同様の効果を得ることができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施形態について図１１及び図１２に基づき説明する。図１１は、本実施の形態における反射型半導体光増幅器の積層方向における断面の構造図であり、図１２は、本実施の形態における反射型半導体光増幅器の上面透過図である。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、ｎ-ＩｎＰの半導体基板１１１上に第１の光閉込層１３１、ＳＯＡ活性層１１２、第２の光閉込層１３２、ｐ-ＩｎＰのクラッド層１１３が積層形成されている。ｐ-ＩｎＰのクラッド層１１３上には、アノード電極１１４が形成され、半導体基板１１１の裏面には、カソード電極１１５が形成されている。この反射型半導体光増幅器では、信号光の入出力側から順に、第１の領域Ａ１、第２の領域Ａ２、第３の領域Ａ３が形成されている。即ち、第２の領域Ａ２における第１の領域Ａ１と接する側と反対側には、第２の領域Ａ２に接し第３の領域Ａ３が形成されている。また、第２の領域Ａ２にチャープ回折格子１１６が形成されており、信号光の入出力面となる第１の領域Ａ１側の端面には反射防止膜１１７が形成されている。更に、第３の領域Ａ３においては、アノード電極１１４及びカソード電極１１５が形成されていないため、ＳＯＡ活性層１１２が光吸収層１１８となる。具体的には、第３の領域Ａ３における光吸収層１１８では、アノード電極１１４を介して電流の注入が行われないため、ＳＯＡ活性層１１２で生じた光及び信号光に含まれる光を吸収する。即ち、ＳＯＡ活性層において電流を注入しない領域では、信号光等に対し極めて高い吸収係数を有することを利用するものであり、この領域に形成されたＳＯＡ活性層が光吸収層１１８となり、信号光等の光を吸収する。

ＳＯＡ導波路となるＳＯＡ活性層１１２は、光信号の入出力面となる反射防止膜１１７の形成されている端面近傍において、端面に垂直方向な方向に対し、５°〜１０°傾いた角度で形成されている。これは、端面においてわずかでも光が反射した場合、レーザ発振してしまう可能性があることなら、これを防ぐためのものである。入力信号光１２１は、反射防止膜１１７を介し、導波路であるＳＯＡ活性層１１２に入射し、出力信号光１２２は、反射防止膜１１７を介し、導波路であるＳＯＡ活性層１１２より出射する。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、全体の長さが、約１２００μｍの長さで形成されており、第１の領域Ａ１は約７００μｍ、第２の領域Ａ２は約４００μｍ、第３の領域Ａ３は約１００μｍの長さで形成されている。

第２の領域Ａ２に形成されるチャープ回折格子１１６における結合定数κの設計値は、約１００ｃｍ^−１である。その周期Λは、入出力端面側である反射防止膜１１７の形成されている側から、反射端面側である光吸収層１１８となる側に向かって、周期Λが約２４０ｎｍから約２４５ｎｍへと連続的に変化するように形成されている。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器のＳＯＡ活性層１１２における等価屈折率ｎは、約３．２である。このため、チャープ回折格子１１６は、ブラッグ波長が入出力端面側から反射端面側に向かって、約１５３６ｎｍから約１５６８ｎｍへと連続的に変化するように形成されている。これにより内部利得係数が高くなる短波長の光は、チャープ回折格子１１６における入出力端面側で反射させることができ、内部利得係数が低くなる長波長の光は、チャープ回折格子１１６における反射端面側で反射させるができる。よって、内部利得係数が高くなる短波長の光は、ＳＯＡ活性層１１２内を伝播する距離が短くなり光利得を下げることができ、内部利得係数が低くなる長波長の光は、ＳＯＡ活性層１１２内を伝播する距離が長くなり光利得を上げることができる。このようにしてＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用される波長帯域において、略均一となる利得スペクトルを得ることができる。

尚、本実施の形態では、反射端面側に光吸収層１１８を形成することにより、反射端面側には反射防止膜を形成することなく、チャープ回折格子１１６において反射されない波長の光を吸収することができる。また、この光吸収層１１８は、アノード電極１１４及びカソード電極１１５が第３の領域Ａ３に形成されないことにより形成されるため、光吸収層１１８は極めて容易に形成することができる。尚、本実施の形態では、第３の領域Ａ３にアノード電極１１４及びカソード電極１１５の双方を形成されない場合、即ち、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２にのみアノード電極１１４及びカソード電極１１５の双方を形成した場合について説明した。同様の効果は、少なくとも電流が注入されるアノード電極１１４を第３の領域Ａ３に形成されない構造、即ち、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２にのみアノード電極１１４を形成しない構造であれば得ることができる。

尚、上記記載した以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施形態について図１３及び図１４に基づき説明する。図１３は、本実施の形態における反射型半導体光増幅器の積層方向における断面の構造図であり、図１４は、本実施の形態における反射型半導体光増幅器の上面透過図である。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、ｎ-ＩｎＰの半導体基板２１１上に第１の光閉込層２３１、ＳＯＡ活性層２１２、第２の光閉込層２３２、ｐ-ＩｎＰのクラッド層２１３が積層形成されている。ｐ-ＩｎＰのクラッド層２１３上には、アノード電極２１４が形成され、半導体基板２１１の裏面には、カソード電極２１５が形成されている。この反射型半導体光増幅器では、信号光の入出力側の第１の領域Ａ１と、信号光の入出力側とは反対側の第２の領域Ａ２を有しており、第２の領域Ａ２にはチャープ回折格子２１６が形成されている。また、信号光の入出力面となる端面には第１の反射防止膜２１７が形成されており、チャープ回折格子２１６が形成されている側の端面には、第２の反射防止膜２１８が形成されている。

ＳＯＡ導波路となるＳＯＡ活性層２１２は、光信号の入出力面となる第１の反射防止膜２１７の形成されている端面近傍において、端面に垂直方向な方向に対し、５°〜１０°傾いた角度で形成されている。これは、端面においてわずかでも光が反射した場合、レーザ発振してしまう可能性があることなら、これを防ぐためのものである。入力信号光２２１は、第１の反射防止膜２１７を介し、導波路であるＳＯＡ活性層２１２に入射し、出力信号光２２２は、第１の反射防止膜２１７を介し、導波路であるＳＯＡ活性層２１２より出射する。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器は、全体の長さが、約１０００μｍの長さで形成されており、第１の領域Ａ１は約７００μｍ、第２の領域Ａ２は約３００μｍの長さで形成されている。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、チャープ回折格子２１６の周期Λは約２４０ｎｍと一定であり、ＳＯＡ活性層２１２の幅が第２の領域Ａ２において、反射端面側に近づくにつれて次第に広くなるように形成されている。具体的には、第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２との境界においては、光導波路となるＳＯＡ活性層２１２の幅は、約０．５μｍであるのに対し、反射端面近傍においては、約４．０μｍとなるように線形に広がるように形成されている。尚、このような構造を幅テーパ導波路構造という。このような構造にすることにより、第２の領域のＳＯＡ活性層２１２における等価屈折率ｎｔは、ＳＯＡ活性層２１２の幅を変化させることにより、見かけ上、等価屈折率ｎが、約３．２０から約３．２５へと変化する。これに伴い、チャープ回折格子２１６における反射中心波長（ブラッグ波長）λ_Ｂが、入出力端面側から反射端面側に向かって、約１５３６ｎｍから約１５６８ｎｍへと連続的に変化させることができる。

本実施の形態における反射型半導体光増幅器では、内部利得係数が高くなる短波長の光は、チャープ回折格子２１６における入出力端面側で反射させることにより、ＳＯＡ活性層２１２内を伝播する距離が短くなり光利得を下げることができる。また、内部利得係数が低くなる長波長の光は、チャープ回折格子２１６における反射端面側で反射させることにより、ＳＯＡ活性層２１２内を伝播する距離が長くなり光利得を上げることができる。これにより、ＷＤＭ−ＰＯＮにおいて使用される波長帯域において、略均一となる利得スペクトルを得ることができる。

尚、本実施の形態におけるＳＯＡ活性層２１２は、第１の実施の形態における形成するメサ構造を形成する際、第２の領域Ａ２においてメサ構造の幅が変化するようなＳｉＯ_２マスクを用いることにより、第１の実施の形態と同様の形成方法により形成することが可能である。

また、本実施の形態では、ＳＯＡ活性層２１２の幅を変化させる幅テーパ構造によりＳＯＡ活性層２１２における等価屈折率ｎを変化させる場合について説明した。同様の効果は、ＳＯＡ活性層２１２等を膜厚方向に変化させる膜厚テーパ構造とすることによっても得ることができる。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された光導波路となる第１の領域と第２の領域とを有する活性層と、
前記第２の領域に沿って形成されており、第１の波長の光を反射する第１の部分と、前記第１の波長の光よりも光利得の低い第２の波長の光を反射する第２の部分とを反射させる反射部と、を有し、
前記第１の部分は前記第２の部分よりも前記第１の領域側に形成されていることを特徴とする反射型半導体光増幅器。
（付記２）
前記半導体基板と前記活性層との間に形成された第１の光閉込層と、
前記活性層の前記第１の光閉込層が形成されている側とは反対側に形成された第２の光閉込層と、
前記第２の光閉込層上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたアノード電極と、
前記半導体基板の裏面に形成されたカソード電極と、
を有することを特徴とする付記１に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記３）
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加するものであることを特徴とする付記２に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記４）
前記活性層は、ＧａＩｎＡｓにより形成されているものであることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記５）
前記基板は、ＩｎＰ基板であることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記６）
前記第１の光閉込層、前記活性層、前記第２の光閉込層、前記クラッド層は、前記半導体基板上にＭＯＶＰＥ法により形成したものであることを特徴とする付記２に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記７）
前記クラッド層とアノード電極との間には、コンタクト層が形成されていることを特徴とする付記２に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記８）
前記反射部は、前記活性層に前記活性層の端面より入射される波長の光に対応して連続的に反射位置が異なっているものであることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記９）
前記入射される波長は波長多重通信に用いられる波長帯域の光の波長であることを特徴とする付記８に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１０）
前記入射される波長は１５４０ｎｍから１５６５ｎｍであることを特徴とする付記８または９に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１１）
前記反射部は、チャープ回折格子により形成されているものであることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１２）
前記チャープ回折格子は、前記活性層に沿って、一方の端から他方の端に向けて、回折格子の間隔が連続的に変化しているものであることを特徴とする付記１１に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１３）
前記反射部は、均一な幅の回折格子により形成されており、
前記第２の領域における活性層の幅が、前記第１の領域と前記第２の領域の境界より前記第２の領域における端面に向かって連続的に変化しているものであることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１４）
前記チャープ回折格子または前記回折格子は、ＩｎＧａＡｓＰにより形成されているものであることを特徴とする付記１１から１３のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１５）
前記活性層は、第１の領域における活性層の端面において、前記端面に垂直な方向に対し、傾いた角度で形成されているものであることを特徴とする付記１から１４のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１６）
前記第１の領域における信号光を入出力する活性層の端面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする付記１から１５のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１７）
前記第２の領域における活性層の端面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする付記１から１６のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１８）
前記反射防止膜は誘電体多層膜により形成されているものであることを特徴とする付記１６または１７に記載の反射型半導体光増幅器。
（付記１９）
前記第２の領域における前記第１の領域と接する側と反対側には、前記第２の領域に接し第３の領域が形成されており、
前記第３の領域には光を吸収する光吸収層が形成されていることを特徴とする付記１から１６のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
（付記２０）
前記第１の領域及び前記第２の領域にのみ、アノード電極が形成されていることを特徴とする付記１９に記載の反射型半導体光増幅器。

１１半導体基板
１２ＳＯＡ活性層
１３クラッド層
１４アノード電極
１５カソード電極
１６チャープ回折格子
１７第１の反射防止膜
１８第２の反射防止膜
２１入力信号光
２２出力信号光
Ａ１第１の領域
Ａ２第２の領域
Ｂ１第１の部分
Ｂ２第２の部分

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された光導波路となる第１の領域と第２の領域とを有する活性層と、
前記第２の領域に沿って形成されており、第１の波長の光を反射する第１の部分と、前記第１の波長の光よりも光利得の低い第２の波長の光を反射する第２の部分とを反射させる反射部と、を有し、
前記第１の領域の位置する側の端面より光が入出射する反射型半導体光増幅器において、
前記第１の部分は前記第２の部分よりも前記第１の領域側に形成されており、
第１の部分まで光が伝播する距離と第１の波長の内部利得係数との積と、第２の部分まで光が伝播する距離と第２の波長の内部利得係数との積とが、均一であることを特徴とする反射型半導体光増幅器。
前記反射部は、前記活性層に前記活性層の端面より入射される波長の光に対応して連続的に反射位置が異なっているものであることを特徴とする請求項１に記載の反射型半導体光増幅器。
前記入射される波長は波長多重通信に用いられる波長帯域の光の波長であることを特徴とする請求項２に記載の反射型半導体光増幅器。
前記反射部は、チャープ回折格子により形成されているものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
前記チャープ回折格子は、前記活性層に沿って、一方の端から他方の端に向けて、回折格子の間隔が連続的に変化しているものであることを特徴とする請求項４に記載の反射型半導体光増幅器。
前記反射部は、均一な幅の回折格子により形成されており、
前記第２の領域における活性層の幅が、前記第１の領域と前記第２の領域の境界より前記第２の領域における端面に向かって連続的に変化しているものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
前記第１の領域における信号光を入出力する活性層の端面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
前記第２の領域における活性層の端面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
前記第２の領域における前記第１の領域と接する側と反対側には、前記第２の領域に接し第３の領域が形成されており、
前記第３の領域には光を吸収する光吸収層が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の反射型半導体光増幅器。
前記第１の領域及び前記第２の領域にのみ、アノード電極が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の反射型半導体光増幅器。